CN102455310B - 一种采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置。该装置包括：测试电导池(I)、控温水浴槽(II)、LCR测试仪(III)；所述的测试电导池(I)置于控温水浴槽(II)中，包括：固定的主臂(8)和可转动设置在主臂(8)上的副臂(3)，该两臂下端相向设置有通过转动副臂(3)可扣合的两个半室(5)，该两个半室(5)扣合夹紧离子交换膜(10)；所述的两个半室(5)的底面设有铂片电极(6)，并分别通过两臂上的导线密封槽(4)引出2根电极导线，并经开尔文夹引线与LCR测试仪连接。本发明的优点在于可以简便快速测试离子交换膜的面电阻，并且对膜面电阻的测量是非损伤性的，也有助于提高测试精度和减小膜不均匀性所引起的误差。

Description

一种采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置

技术领域

本发明涉及离子交换膜面电阻的测试领域，具体地，本发明涉及一种采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置。

背景技术

离子交换膜的面电阻是衡量膜电化学性能的重要指标，通常膜的面电阻值越小，说明离子在膜内的迁移速度越快，离子交换膜的导电能力越强。离子交换膜面电阻的大小主要取决于膜内活性离子基团的浓度。一般而言，膜的交换容量越大，同时含水量越高，则膜的面电阻越小。其中离子交换基团的性质(解离度)、膜结构特征(交联度)、膜厚度等是影响膜面电阻的内部因素。此外，膜的面电阻还受膜外溶液的离子浓度、种类和温度等外在因素的影响。

离子交换膜的面电阻大小是影响电膜技术在实际生产过程中能耗高低的关键因素。由于不同企业的制备工艺、生产技术水平等不同，造成不同来源离子交换膜的性能存在差别，也会直接体现在离子交换膜面电阻值的大小不同。进行膜面电阻的测定，不仅可用于不同生产企业、不同制备方法和不同类型的离子交换膜的性能评价，而且可用于考察离子交换膜在使用过程中其电化学性能的变化、膜污染状况及使用寿命等，可为膜材料的生产、选择与应用提供依据。

根据测定离子交换膜的面电阻时所使用的电源类型，可将测定方法分为直流电法和交流电法。其中，采用交流电法测定膜的面电阻时，莫剑雄等[水处理技术，1986，2：84-87]提出的等效电路图包括：电极反应电阻Rp、溶液电阻Rs(当电导池加入膜时，该电阻被分为串联的两个电阻Rs1和Rs2)、待测离子交换膜的电阻Rm，以及电极和电解质离子所产生的双电层电容Cps、膜和电解质溶液接触面所产生的电容Cms、两个电极之间的电容Cee等，在相同条件下，Rp、Rs、Cps、Cee可视为定值。测定时采用差值法，当不含离子交换膜时，测得体系阻抗|Z|1的实值部分R1＝Rp+Rs；当加入离子交换膜之后，测得体系阻抗|Z|2的实值部分R2＝Rp+Rs+Rm，离子交换膜的电阻Rm＝R2-R1。但未提供基于该原理的测试装置。

近年来俄罗斯和法国的科研人员开展合作研究，对微分-差分法(Differential-difference method，DDM)、水银接触法(Mercury-contact method，MCM)、差分法(Difference method，DM)等测定离子交换膜电导率的三种方法进行了比较研究[Karpenko et al，Russian Journal of Electrochemistry，37(2001)287-293；Nouris et al，European Polymer Journal 38(2002)1907-1913；Chaabane et al，Journal of MembraneScience 298(2007)126-135]，发现测试电极、测试装置和测试频率等都会影响膜电阻的测定，对于同一种离子交换膜，采用不同的测试方法，测试结果也有明显的差别。这三种方法都存在缺点，如差分法在稀溶液的测量误差较大；微分-差分法的测试装置结构又过于复杂；水银接触法使用了金属汞，测量时会对离子交换膜产生破坏，而且对膜预处理要求严格。研制简便适用的离子交换膜面电阻测试装置仍需要进一步开展研究。

由于采用交流电法测定离子交换膜面电阻的影响因素较多，而且需要设计专用的测试装置。鉴于目前还没有适用于离子交换膜面电阻测试的商品化仪器，各个研究机构和离子交换膜的生产厂家大多是采用自行加工的装置进行面电阻测试。由于这些测试装置不仅结构差别较大，而且所用的测试溶液体系、测试条件等也各不相同，因此，所测得的结果差异较大，可比性也差。

本发明在现有研究基础上，通过设计专用的测试电导池、控温水浴槽、选用带开尔文夹测试引线的LCR测试仪等，研制离子交换膜面电阻的测试装置，并确定合适的测试条件和方法。

发明内容

本发明的目的是为不同来源、不同类型的离子交换膜，以及考察离子交换膜在使用过程中的性质变化等，提供一种简便适用的离子交换膜面电阻的测试装置和方法，可用于不同离子交换膜的性能考察与评价。

本发明所述的采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置包括：测试电导池I、控温水浴槽II、LCR测试仪III；

所述的测试电导池I置于控温水浴槽II中，包括：固定的主臂8和可转动设置在主臂8上的副臂3，该两臂下端相向设置有通过转动副臂3可扣合的两个半室5，该两个半室5扣合夹紧离子交换膜10；

所述的两个半室5的底面设有铂片电极6，并分别通过两臂上的导线密封槽4引出2根电极导线，并经开尔文夹引线与LCR测试仪连接。

作为上述方案的一种改进，所述的主臂8和副臂3上对应设置有螺孔，通过一螺栓1b及支撑弹簧2固定，两个半室5闭合构成电导池；所述的主臂8和副臂3的上部通过两个固定盖板7限位。

作为上述方案的又一种改进，所述的两个半室5为圆柱形槽。

作为上述方案的再一种改进，所述的主臂8和副臂3的中部外侧设有卡槽11，该卡槽11内卡设有匹配的“U”形卡板。

作为上述方案的还一种改进，根据权利要求1所述的采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置，其特征在于，所述的控温水浴槽II包括水浴槽和数字控温器，所述的水浴槽的内胆为可拆卸的烧杯19，该烧杯19通过其顶部的限位件16和其下方的支撑弹簧15固定；所述的烧杯19和水浴槽的槽体之间通过O型凹槽13及其内的O型密封圈18密封设置；所述的水浴槽的中部设置有环形中间隔板14，所述的烧杯19嵌套在该环形中间隔板14中；所述的中间隔板14的外缘贴合于水浴槽的槽体内壁，所述的水浴槽的进水口和出水口分设于中间隔板14侧的上下槽体的壁上。

本发明的测试装置选用了带开尔文夹引线的LCR测试仪，区别于常规膜电阻测试采用的电导率仪。可以方便控制在适宜的极化电位和频率下进行测试，线路连接简单。

采用本发明的装置用于测定离子交换膜面电阻的方法是：

(1)准备测试溶液：根据测试要求配制测试溶液，并倒入适量于烧杯中，然后把烧杯放入水浴装置中，用O型圈将水浴槽中内部溶液密封。

(2)控温：将水浴控温装置打开，调节到所需的温度后循环20-30min，实现对烧杯内溶液的控温后开始测定。

(3)开机：按照LCR测试仪的开机要求操作，并将电压和频率调到合适的档位；然后将测试电导池中2个铂片电极引出的2根导线，分别与开尔文夹的2根引线连接，再通过开尔文夹接入LCR测试仪。体系平衡20min后开始测定。

(4)测试：把离子交换膜放入测试电导池的2个半室之间，需确保测试电导池中充满电解质溶液，并且检查没有气泡。分别测定和计算在测试电导池中加膜和未加膜的面电阻值，连续交替测试5-10次，分别计算二者的平均值，其平均值之差即为离子交换膜的面电阻。

采用该装置测量离子交换膜面电阻的测试方法是，控制在一定极化电位和频率的交流电条件下，分别测定并计算在该测试电导池中加膜与未加膜时的膜面电阻，二者之差即为离子交换膜的面电阻。

采用交流电法测定离子交换膜面电阻的原理是：采用设计的测试电导池，先读取未加膜时的阻抗Z1值和相位角θ1，再测定加入离子交换膜时的阻抗Z2值和相位角θ2。可通过如下公式计算面电阻：ER＝πD2(Z2cos(θ2)-Zlcos(θ1))/4。由于温度升高，溶液粘度降低，离子运动速度加快，溶液的电导率增高。离子交换膜在较高温度时溶胀度增大，也有利于膜内离子的迁移，所以测定时必须精确控温。

本发明的优点在于，采用差值法测定离子交换膜的面电阻具有简便快速的优点，并且对膜面电阻的测量是非损伤性测量，经测量操作后的离子交换膜仍可继续使用。专门设计的测试电导池，不但确保了两个半室能够精密地对准重合，而且在测量时不需要将膜切割成合适的尺寸，可以对电渗析设备中取下来的膜进行直接测量，避免了对膜材料的破坏。通过选择合适的电极间距离和横截面积，也有助于提高测试精度和减小膜不均匀性所引起的误差。

附图说明

图1本发明采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置示意图；

图2本发明采用的测试电导池的前后剖面图结构示意图；

图3本发明采用的测试电导池的侧面剖面图结构示意图；

图4本发明采用的未放入烧杯的控温水浴槽结构示意图；

图5本发明采用的放入烧杯的控温水浴槽结构示意图。

附图标记

1a/1b、螺栓       2、支撑弹簧         3、副臂

4、导线密封槽     5、两个半室         6、铂电极

7、固定盖板       8、主臂             9、导线密封盖板

10、离子交换膜    11、卡槽            12、固定螺栓

13、O型圈槽       14、环形中间隔板    15、支撑弹簧

16、限位件        17、固定孔          18、O型密封圈

19、烧杯          20、出水口          21、进水口

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细的说明。

本发明提供的一种采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置，该测试装置包括：测试电导池I、控温水浴槽II、带开尔文夹测试引线的LCR测试仪III。测试方法是，控制在一定极化电位和频率的交流电条件下，分别测定在该测试电导池中加膜与未加膜时的膜面电阻，二者之差即为离子交换膜的面电阻。

采用专门设计的测试电导池：由有机玻璃加工而成可以转动的副臂3和相对固定的主臂8组成，两臂上端通过一连接螺栓1a前后相互固定，其下端各有一圆柱形槽，且开口相对；两臂由另一连接螺栓1b左右连接固定，由支撑弹簧2夹紧，其下端的两个圆柱形槽即面对面闭合，由此构成电导池的两个半室5；两个半电池密封端为铂片电极6，2根电极导线分别由导线密封槽4引出，用导线密封盖板9密封，测试时经开尔文夹引线与LCR测试仪连接；采用两个加工精度较高的固定盖板7固定盖在主臂8、副臂3的前后，以及精加工的卡槽11和与之相配合的卡板，确保电导池的两个半室5在闭合时完全对准重合，以保证膜面电阻的测试精度。测量面电阻值时，待测的离子交换膜10放在两个半室之间。

采用与测试电导池配套的控温水浴槽：由有机玻璃加工而成的水浴槽，以及配套的数字控温器组成；盛放测试溶液的容器为可拆卸的烧杯19，烧杯与水浴槽顶部接触处为O型凹槽13，放入烧杯时用O型圈18密封；通过调节固定螺栓12的松紧来固定限位件16，限位件16和下部安装在固定孔17中的支撑弹簧15使烧杯的上下方向得以固定；设计的中间隔板14既在水平方向固定了烧杯，又起到了挡板的作用，即通过改变循环水的流向使传热更充分；由水浴槽的进水口21中注入通过数字控温器的恒温水，再由出水口20流回数字控温器。整个水浴槽的内部结构密闭，通过数字控温器中的泵所提供的压力可以实现恒温水的循环。

采用了带开尔文夹引线的LCR测试仪，区别于常规膜电阻测试采用的电导率仪。可以方便控制在适宜的极化电位和频率下进行测试，线路连接简单。操作步骤包括：准备测试溶液、水浴控温、LCR开机和测试等，分别测定和计算在测试电导池中加膜和未加膜的面电阻值，连续交替测试5-10次，计算二者的平均值，其平均值之差即为离子交换膜的面电阻。

膜面电阻测试过程中，在水浴槽配套的烧杯中盛放适量的测试溶液，控温水浴槽通过乳胶管连接数字控温仪的进水口和出水口，维持水浴槽中的温度恒定；设计的测试电导池放入烧杯中，要保证测试溶液液面高于测试池的2个半室；测试池中2个铂片电极通过开尔文夹引线与LCR测试仪连接，调节LCR测试仪的档位，控制在适当的极化电位和频率的交流电条件下，在LCR测试仪中读取阻抗|Z|和相位角θ，用于计算膜的面电阻。采用该装置分别测定在该测试池中加膜与未加膜时的膜面电阻，二者之差即为离子交换膜的面电阻。

实施例1采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置结构与条件优化

为了比较实验装置结构对离子交换膜面电阻的测定值的影响，通过选用不同的电极间距(d)、电极直径(D)制备六个不同测试装置。测试的离子交换膜为JCM-1-15，每个相同条件的试验点测量10次，取平均值，并计算出标准差。结果表明，随着电极间距离(d)的增大，测定的含膜溶液的总电阻值也相应地增大。在相同极化水平和频率条件下，随着电导池中结构参数d的增大，测量结果的标准差会相应地增大，会导致所计算的膜面电阻标准偏差也会随之增大。随着测试电导池横截面积(电极面积)的增大，面电阻的标准差会相应降低，测量误差会随之降低。因此，选择小d值和较大D值，有利于提高测试精度。

使用上述装置测定离子交换膜的面电阻时，需要考虑不同交流电的频率和极化电压对测试结果产生的影响。表明在较低的测定频率下，膜面电阻的测定结果明显偏大。在较高频率下的面电阻值的标准差相对于平均值的大小均在2％以内，因此选用较高频率(＞100kHz)进行测定比较适合。考察极化电位对膜面电阻测试的影响，发现极化水平的变化会造成面电阻结果的不同。在250-1000mV范围内选择极化电位误差较小(2％以内)，可获得稳定的膜面电阻测试值。

实施例2不同测试溶液中的离子交换膜面电阻测试

使用上述装置考察溶液性质对几种国产离子交换膜面电阻测试的影响。实验选择了阴膜(GAM-1006和RXAM-1003)，阳膜(GCM-1006、RXCM-1006和JCM-1006)，双极膜(GBM-1006和RXBM-1006)，在不同浓度的NaCl、NH₄Cl、Na₂SO₄和(NH₄)₂SO₄溶液中测定膜的面电阻。为了确保测定时膜-液体系达到平衡，每次测定前均将膜浸入待测溶液中24h以上。

结果表明，随着电解质溶液浓度增大，阴膜、阳膜和双极膜的面电阻均会逐渐减小；而在较低电解质溶液中，不同类型的膜均表现出相对较高的面电阻。更具体地，当电解质浓度小于0.5mol/L时，膜面电阻随着电解质溶液浓度的增加而迅速地减少；当电解质浓度高于0.5mol/L时，膜的面电阻减小的较为缓慢。考察离子种类对不同类型离子交换膜面电阻的影响，表明阴离子交换膜受阴离子的种类变化影响较大，阳离子交换膜受阳离子的影响较大，双极膜的面电阻受阴离子和阳离子的种类变化均较明显。由此也表明离子交换膜对反离子的作用较为敏感。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本离子交换膜面电阻发明测试装置的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明装置进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明测试装置的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明装置技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明装置的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置，其特征在于，所述的装置包括：测试电导池（I）、控温水浴槽（II）、LCR测试仪（III）；

所述的测试电导池（I）置于控温水浴槽（II）中，包括：固定的主臂（8）和可转动设置在主臂（8）上的副臂（3），所述的主臂（8）和副臂（3）下端相向设置有通过转动副臂（3）可扣合的两个半室（5），该两个半室（5）扣合夹紧离子交换膜（10）；

所述的两个半室（5）的底面设有铂片电极（6），并分别通过所述的主臂（8）和副臂（3）上的导线密封槽（4）引出2根电极导线，并经开尔文夹引线与LCR测试仪连接；

所述的两个半室（5）为圆柱形槽；

所述的控温水浴槽（II）包括水浴槽和数字控温器，所述的水浴槽的内胆为可拆卸的烧杯（19），该烧杯（19）通过其顶部的限位件（16）和其下方的支撑弹簧（15）固定；所述的烧杯（19）和水浴槽的槽体之间通过O型凹槽（13）及其内的O型密封圈（18）密封设置；

所述的水浴槽的中部设置有环形中间隔板（14），所述的烧杯（19）嵌套在该环形中间隔板（14）中；

所述的中间隔板（14）的外缘贴合于水浴槽的槽体内壁，所述的水浴槽的进水口和出水口分设于中间隔板（14）侧的上下槽体的壁上。

2.根据权利要求1所述的采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置，其特征在于，所述的主臂（8）和副臂（3）上对应设置有螺孔，通过一螺栓（1b）及支撑弹簧（2）固定，两个半室（5）闭合构成电导池。

3.根据权利要求1所述的采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置，其特征在于，所述的主臂（8）和副臂（3）的上部通过两个固定盖板（7）限位。

4.根据权利要求1所述的采用交流电法测定离子交换膜面电阻的装置，其特征在于，所述的主臂（8）和副臂（3）的中部外侧设有卡槽（11），该卡槽（11）内卡设有匹配的“U”形卡板。

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